自动垂直钻具井下流场特性仿真分析

自动垂直钻井系统在工作时，导向套钻杆要有一个相对转速。导向套在与钻杆连接轴承的摩擦转矩的作用下随钻杆转动，而井下返程泥浆在通过导向套时也会产生阻碍导向套转动的反向扭矩，该反向扭矩是保证导向套与钻杆存在相对转速的一个关键因素。利用FLUENT软件包对导向套井下泥浆流场进行建模仿真，揭示了泥浆通过导向套时的流动特性。计算结果表明，泥浆对导向套的反向扭矩取决于泥浆的流量、导向套转速等多种因素，只要钻杆转速超过平衡钻杆与导向套的摩擦转矩的临界转速，该反向扭矩就可以使导向套与钻杆之间产生相应的转速差。     

自动寻向旋转钻具钻进南海8600m大位移井

南海油田XJ24－3－A18井是1口井深8600m、水平位移7500m、垂深2740m的大位移井,当井深达到7000m以后,旋转钻井方式的井斜控制难度大,同时产生方位漂移,若改成滑动钻井方式,则钻进摩阻大,钻进难且机械钻速低;当钻进到6871m时,改变了钻具结构,下入了“Power Drive”旋转钻井导向工具。应用表明,钻进中钻井参变化不大,井斜和方位变化均匀、控制井斜和方位比较成功,不产生漂移、狗腿度低,机械钻速提高近10倍,经济效益显著,真正达到了安全、平稳、高效、低耗。     

自动垂直钻井工具纠斜控制实验研究

为了探讨井下纠斜控制的客观规律，基于自动垂直钻井工具原理样机，开展了井斜自动控制的实验研究。通过分析基于重力加速度计的井斜测量?理，并结合样机纠斜机构的工作原理，提出了对各纠斜机构的工作区域进行合理划分的实施方法，并根据该方法以及借助虚拟仪器技术实现了在原理样机上的井斜实时控制系统的开发。借助该套系统，目前已可实现不小于0.15°的井斜控制精度。     

深井、超深井和复杂结构井垂直钻井技术

垂直钻井是当今世界性钻井难题之一，它具有减少套管层次和套管尺寸、提高机械钻速、减少钻柱事故的优点。常用的塔式钻具、钟摆钻具、满眼钻具、偏轴钻具、压不弯钻铤、铰接钻具和旋冲钻具等均属于被动防斜技术，不能满足深井、超深井和复杂结构井直井段垂直钻井的要求，尤其不能满足在高陡构造与大倾角等易斜地层和自然造斜能力强的条件下钻垂直井的要求。近10年来发展的旋转导向钻井技术及工具，在一定程度上解决了垂直钻井所遇到的问题，也是当前解决垂直钻井这一世界性难题最有效的技术方案。重点介绍了以PowerV为代表的旋转导向自动闭环钻井系统的结构及现场应用情况。     

自动垂直钻井中井斜动态测量理论与实验研究

井斜动态测量是指在钻井过程中对井眼的井斜角、工具面角等物理量的实时检测和信息的提取,比静态测量复杂,钻具的振动和转动均会导致相应的井斜测量信号严重失真,但其中的振动信号可用低通滤波器滤除,而钻具转动对加速度计所产生的离心力导致的测量信号的失真,则必须通过诸如转速补偿之类的修正才能去除.低通滤波器可选用一定阶数和转折频率的巴特沃斯滤波器,而加速度计输出的转速补偿则须预先对加速度计进行标定.利用专门的实验装置对井斜动态测量的方法及其具体实现进行了有效的验证.     

自动垂直钻井执行系统试验研究

在自动垂直钻井系统中,要求执行系统能够对控制系统的指令做出迅速、准确的响应。由于执行系统的结构复杂,通过理论模型研究的方法很难得到其准确的性能参数。建立了室内模拟试验系统,完成了执行系统工作性能的试验研究,得出了其压力-上盘阀驱动扭矩、流量-压力、压力-纠斜力拟合曲线和关系式,并证明了研制的执行系统的工作性能符合自动垂直钻井系统的控制要求。     

Power V垂直导向钻井技术在普光7井的应用

四川盆地川东普光构造地层倾角大，特别是上部陆相地层，岩性多变，砂岩、泥岩、页岩互层频繁，井斜非常突出。被动防斜技术在川东普光高陡构造钻探过程中受其内在力学性质影响，无法实现防斜打快。而Power V“全自动化”旋转导向垂直钻进工具，在钻进时会自动追踪井斜变化，自动设定和调整工具侧向力，使井眼轨迹快速返回垂直状态。在高陡构造地层钻进中，有效地解决了防斜和加大钻压之间的矛盾，可大幅度地提高钻井速度。以Power V垂直导向钻井系统为代表的主动防斜技术，通过在普光7井的应用，证实了其在保证井身质量的前提下可最大限度地提高机械钻速。     

自动垂直钻井系统执行机构性能模拟试验

为了实现自动垂直钻井功能,要求执行机构能够对控制系统的指令做出迅速、准确的响应。由于执行机构的结构复杂,通过理论模型研究的方法很难得到其准确的性能参数。因此,建立了室内模拟研究系统,完成了对执行机构工作性能的试验研究,得出了其压力-上盘阀驱动扭矩、流量-压力、压力-纠斜力的拟合曲线方程,为自动垂直钻井系统现场试验提供了选择技术参数的依据。试验结果还表明,研制的执行机构的工作性能符合自动垂直钻井系统的控制要求。     

自动垂直钻井工具分类及发展现状

从石油钻井和地质钻探两方面阐述了自动垂直钻井技术的原理及优点,按照不同结构及工作原理对自动垂直钻井工具做出分类,并简要分析了各类工具的优缺点。随后在上述分类基础上系统归纳了国内外现有垂直钻井工具及其技术特点,剖析了国内外自动垂直钻井工具之间的技术差距。最后总结出自动垂直钻井工具存在的问题,指出工具今后的发展趋势为小型化、可取心、高精度和长寿命,并对其未来的研究思路与方法提出建议:对执行机构零部件结构和布局进行优化,在减小工具外径的同时增大工具内部空间,使工具在小口径井眼垂直钻进的同时还能进行取心作业;对电控式垂直钻井工具的测控传感器及其密封系统进行优化改进,使工具整体耐温耐压性能得到提高;对机械式垂直钻井工具的偏重平台在井下复杂环境下的响应规律进行研究,并探索相应的误差抑制补偿方法,以提高工具的井斜控制精度。     

阿北1井垂直钻井工具应用分析

为解决塔里木盆地两北地区二叠系地层底部-志留系地层采用常规钻具组合钻井时井斜严重及防斜与打快矛盾突出的难题,阿北1井进行了VTK垂直钻井系统防斜打快试验。VTK垂直钻井系统为一种闭环自动垂直钻井系统,在工作中可主动启动液压部件,通过1~2个肋板向井壁施加一定的作用力以对抗井斜趋势,以保持井眼按垂直方向钻进。现场试验结果表明:阿北1井应用VTK垂直钻井系统钻进深部易斜地层时,井斜角控制在0.14°~2.09°,大部分井段的井斜角小于1.00°;大部分试验井段(5 331.00~5 532.00和5 698.8~5 965.15 m)机械钻速可达2.34~1.17 m/h,与常规钟摆钻具组合相比,机械钻速提高17%~21%。这表明利用VTK垂直钻井系统基本可以解决塔里木盆地两北地区井斜控制困难及防斜与打快突出的难题,但为充分发挥VTK垂直钻井系统防斜打快的优势,需在钻头选型、钻井液性能优化及应对井下故障能力等方面进行进一步研究。      

非对称多喷嘴平底钻头井底三维流场数值模拟

全面考虑三维、旋转、非对称多个喷嘴射流等多种因素,对垂直和倾斜射流分别进行了数值模拟,并详细分析了井底和钻头间各面上的数据。布置了非对称分布的4个喷嘴射流,明显地改善了井底流动状况。喷嘴倾斜射流能更好地加强井底流体的携带能力,彻底清除滞流或回流。但须注意在钻头表面上布齿时要避开涡,以减少流体对齿的冲蚀.     

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气体钻井过程中钻进参数的改变将引起井内气体的不稳定流动，这种现象在用气体钻井方式打开产层时尤为明显，这些情况用常规气体钻井稳定流动理论不能准确模拟。通过对井内气体不稳定流动的分析，还可以实现钻井过程中的动态地层评价，因此，井内气体不稳定流动也是欠平衡钻井随钻试井理论的重要组成部分。基于可压缩流体不稳定流动理论，文章建立了气体钻井过程中井内瞬态流动的数学模型并提出了模型的数值解法。针对井内水动力体系的复杂特点，文章讨论了定解条件的确定方法。最后将模型应用于伊朗TBK-14井，对开启压风机和增大压风机排量两种情况进行了分析，与现场试验对比表明，数值模拟结果与井内的实际情况一致。     

旋流快分系统（VQS）环形空间内气相流场的研究

采用激光多普勒测速仪（LDV）对旋流快分系统（VQS）内环形空间的气相流场进行研究。结果表明，VQS系统内环形空间的气相流场具有双涡特性，内外涡的分界点处存在最大的切向速度。由于流体与双侧壁面之间的摩擦造成能量损失和湍流能量耗散，导致最大切向速度不断衰减且位置沿轴向向下逐渐向提升管外壁移动，同时涡量传递造成外部的准自由涡区逐渐增大，内部的准强制涡区逐渐缩小。轴向速度沿径向呈明显的线性分布，下行轴向速度沿提升管外壁向封闭罩内壁的径向方向逐渐增大。轴向速度的径向梯度沿轴向向下逐渐变小，轴向速度分布也逐渐趋于水平直线状。整个环形空间内，切向、轴向相对湍流强度分布稳定，湍流脉动与扩散比较平缓，有利于气流稳定下行，避免纵向环流、涡旋死区的发生。     

自动垂直钻井工具的设计及自动控制方法

设计了一种井下闭环自动垂直钻井工具。该自动垂直钻井工具包含井下微处理器、井斜角测量传感器及井下可控稳定器等。可控稳定器周围均布有四个可独立伸缩的导向块,它们受到内部液压系统的驱动,当井斜角偏离垂直方向时,井下微处理器会自动调整可控稳定器的工作状态,使可控稳定器上位于井眼高边的导向块伸出,顶向井眼高边,使钻头上产生一个降斜力,最后使井眼回到垂直轨道。本文详细介绍了这种自动垂直钻井工具的工作原理及结构组成;对工具内部的液压控制原理及控制回路进行了研究和设计;讨论并设计了对工具进行井下闭环自动控制的原理及具体方法;最后利用纵横弯曲法对包含有该工具的井下钻具组合的降斜能力进行了数值模拟分析,说明该自动垂直钻井工具将能够在地层造斜力很大的高陡构造中高效快速地完成垂直钻井的工作。     

导向钻具组合动力学方程建立及传递函数求解

井下闭环钻井技术是近年来在国内外得到普遍重视的新技术,是大位移井钻井必不可少的技术。作为井下闭环钻井系统核心部分的下部导向钻具组合的力学特性,则成为形成井下闭环控制的基础。从控制机理上讲,旋转导向钻具组合的控制特点与滚动式导弹的控制具有一定的相似性。本文参考导弹飞行力学分析方法,通过对导向钻具组合的受力分析,探讨下部钻具组合的运动学、动力学方程的建立方法。并在此基础上,利用小扰动理论,对导向钻具组合动力学方程进行线性化处理,并求出了导向钻具组合的传递函数,为实现井下闭环钻井系统提供参考。     

超高压淹没射流井底流场特性模拟分析

超高压淹没非自由射流井底流场特性研究是超高压喷射钻头设计的关键技术之一,是延长钻头寿命、提高钻井速度、实现优快钻井的保障。目前关于高低压喷嘴联合作用下的井底流场特性的研究还不完善,文章通过建立井底流场计算域,运用数值模拟手段,在K-ε两方程数学模型基础上计算封闭的N-ε方程,对Ф15．9mm三牙轮超高压淹没射流的井底流场进行模拟。随着超高压喷嘴侧倾角从10°减小到8°,超高压射流流体上扬趋势变缓;超高压射流井底流场高低压区分区明显。分析认为超高压喷嘴射流能量大部分集中在高压喷嘴直径范围内,高低压喷嘴射流之间的相互干扰不大;超高压喷嘴射流直射井底与井壁交界处产生的流场特性有利于钻屑的运移和井底的清洗,且其产生的扩径率符合工程要求;喷嘴直径、喷射压力、喷射角度、喷距等对井底流场特性有影响。此方法为延长钻头寿命、提高钻井速度、实现优快钻井提供了保障。     

天然气井下节流临界状态的判别方法

临界状态参数，尤其是临界压力比，这是天然气井下节流嘴设计计算以及判断节流嘴内是否达到临界流动，能否实现气井稳产的关键数据。以往对天然气井下节流临界流动状态的判别往往基于经验公式。由于井下节流，节流嘴上游压力的不易测得，使得临界流动状态判别困难。以空气动力学的基本原理对井下节流过程进行了理论分析，分析指出实际临界压力比要小于理论临界压力比，理论临界压比只是临界流状态的必要而非充分条件。进而提出了临界状态判别的新方法，即用临界流动的原始定义（即马赫数）来判定。若节流嘴出口处的马赫数大于1，则说明流动已处于超临界状态，在节流嘴的最小截面处即喉部可以达到临界流动；若截面2处的马赫数小于1，则节流嘴中流动处于亚临界状态。该方法物可有效的判别井下节流的流动状态，在此基础上，可进一步完成节流嘴入口处、井底的气体流动预测研究。     

钻井井下高围压对射流的影响分析

高压射流以其自身所具有的运动特性和动力特性，在各个领域得到广泛的应用，喷射钻井是高压射流技术在钻井工程中的重要应用。依据射流外边界上液流束冲击压力与围压力的平衡关系，重新给出了射流外边界的定义，通过分析建立了围压对射流截面的影响模型和围压下的射流冲击压力计算模型，通过实例计算分析，得出了围压对射流外边界形状的影响规律；在相同的射流作用下，围压增大，射流对作用面的冲击力会明显减小，在围压大于一定值后，围压对射流基本段内冲击力的影响大于对初始段内冲击力的影响；较大的钻井液密度，在一定程度上有助于减小围压对井底射流的影响等重要结论。这对认识深井高围压环境下的射流特征、补充和完善喷射钻井理论有重要意义。     

蜗壳式旋风分离器环形空间流场的研究

流场测量表明蜗壳式旋风分离器环形空间的速度场和静压场是非轴对称的 ,存在着切向速度的增高区 (0～ 1 80°,以入口处为 0°)和降低区 (1 80～ 360°)及相对应的静压分布降压区和增压区。在升气管管壁表面附近存在有低速的“滞流层”。蜗壳式旋风分离器环形空间的这种流场分布对颗粒在环形空间的运动过程和旋风分离器性能有重要影响。     

撞击射流井底漫流特性数值研究

应用大涡模拟方法对不同条件下单喷嘴垂直撞击射流的流场特性进行了数值模拟,对数值模拟结果的分析研究表明,在射流撞击距离小于射流等速核长度的条件下,射流撞击距离和喷嘴出口面积的变化对井底漫流层的厚度没有明显影响.提出了采用井底有效漫流层厚度和有效平均漫流速度研究水力作用对井底和钻头的清洗及冷却效果的新概念.研究表明,就PDC钻头而言,减小钻头面至井底的距离,对提高整个井底的有效平均漫流速度,效果并不明显.